錢家營礦區(qū)北斗單基站CORS-RTK 精度檢測分析

戴超

（開灤錢家營礦業(yè)分公司，河北 唐山 063301）

1 概 況

北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（Bei Dou Navigation Satellite System，簡稱BDS）是繼美國GPS、歐盟GLONASS 之后全球第三大較完善的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，由中國自主研發(fā)、制造、建設(shè)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2020 年正式向全球提供導航定位服務(wù)，其獨特的傾斜地球同步軌道衛(wèi)星設(shè)計，增強了中國區(qū)域的衛(wèi)星信號，理論上不存在中國版圖內(nèi)的信號盲區(qū)，即使在山林、建（構(gòu)）筑物等信號遮擋地區(qū)也可接收到穩(wěn)定的衛(wèi)星信號。

單基站連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（Continuous Operational Reference System，簡稱CORS）有低成本、方便升級、精度高、可連續(xù)運行等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外中小城市和廠礦企業(yè)，來滿足局部的實時定位服務(wù)需求。

開灤錢家營礦區(qū)CORS 系統(tǒng)為單基準站CORS系統(tǒng)，升級兼容北斗導航系統(tǒng)后，采用實時動態(tài)差分技術(shù)（Real-time kinematic，簡稱RTK），可在基準站半徑50 km 范圍內(nèi)快速獲取厘米級定位服務(wù)。傳統(tǒng)的RTK 測量中，只能接收GPS、GLONASS 兩種導航衛(wèi)星信號，且GPS 在我國中、低緯度山林、建（構(gòu)）筑物等信號遮擋地區(qū)，因鎖定衛(wèi)星數(shù)少RTK 測量很難得到固定解。兼容北斗導航系統(tǒng)（BDS）的CORS 系統(tǒng)進行RTK 測量時，可以接收GPS、GLONASS、BDS 三種導航衛(wèi)星信號，在小范圍信號遮擋情況下也能得到固定解；同時，使RTK 測量精度、測量效率越來越高，一定程度上減弱了RTK 測量隨移動站到基準站距離的增加而出現(xiàn)的誤差。

本文意在介紹開灤錢家營礦區(qū)北斗CORS 系統(tǒng)及測試該系統(tǒng)的RTK 測量在礦山測量中的定位效果及定位精度。

2 開灤錢家營礦區(qū)CORS 系統(tǒng)介紹

開灤錢家營礦區(qū)CORS 系統(tǒng)于2012 年建設(shè)并投入使用，由GPS 基準站、衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)5 部分組成。

隨著北斗導航系統(tǒng)的建立、運行，衛(wèi)星定位技術(shù)獲得了極大的發(fā)展。為更好地滿足礦區(qū)生產(chǎn)建設(shè)、地形圖更新、地表損害監(jiān)測、勘查設(shè)計及應(yīng)急搶險等方面的應(yīng)用，開灤錢家營礦于2020 年對CORS 基站進行升級改造，升級后兼容北斗導航系統(tǒng)，采用SOUTH Net S8+接收機（參數(shù)見表1），S8+機型兼容我國北斗、美國GPS 和GLONASS 系統(tǒng)，相比原來的雙星系統(tǒng)，可以更高精度的服務(wù)于礦區(qū)日常測量的工作。

升級后的CORS 系統(tǒng)采取南方測繪高精度網(wǎng)絡(luò)差分實時動態(tài)定位NRS 技術(shù)方案，該技術(shù)方案原始觀測數(shù)據(jù)來自開灤集團和錢家營礦區(qū)的2 個CORS 基站，通過交換機、無線路由器、工控機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，使其可以實時與參考站、接收機間傳輸控制、數(shù)據(jù)信息；應(yīng)用系統(tǒng)是以位置服務(wù)為基礎(chǔ)，由支持協(xié)議的設(shè)備提供實時定位數(shù)據(jù)；NRS 的核心組成是數(shù)據(jù)處理中心，通過CORS 基站采集的原始數(shù)據(jù)實時解算模糊度和估計網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來建立空間相關(guān)誤差區(qū)域模型。

3 CORS 系統(tǒng)基準

開灤錢家營礦區(qū)CORS 系統(tǒng)采用獨立地方坐標系統(tǒng)，高斯-克呂格正形投影，中央子午線為E118°30′，平面坐標以北京54 坐標系為基準轉(zhuǎn)換而來，高程系統(tǒng)采用1985 國家高程基準。

平面坐標系統(tǒng)采用布爾莎七參數(shù)模型進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換流程：WG-84 空間直角坐標(X，Y，Z)—布爾莎七參數(shù)模型—空間直角坐標(X，Y，Z)—大地坐標(B，L)—平面坐標(x，y)。

在高程系統(tǒng)方面，錢家營單基站CORS 系統(tǒng)通過三維約束已知控制點，采用一次多項式擬合法求得未知點高程數(shù)據(jù)。

根據(jù)測繪工程行業(yè)標準《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》，錢家營礦區(qū)附近分布國家Ⅱ控制點7 個，如圖1 所示，可建立D 級GPS 控制網(wǎng)，D 級GPS 控制網(wǎng)需滿足表2 規(guī)定。

圖1 控制點分布Fig.1 Distribution of control points

表2 D 級GPS 控制網(wǎng)的精度要求Table 2 Accuracy requirements of D-level GPS control network

錢家營礦區(qū)D 級GPS 控制網(wǎng)包括9 個GPS點，其中7 個已知點，2 個未知點，此次采用邊連式，構(gòu)成84 個最小同步環(huán)和36 條獨立基線，以確?？刂凭W(wǎng)的幾何強度，提高控制網(wǎng)的可靠性。外業(yè)觀測使用9 臺SOUTH S86-T 型GPS 接收機，在8個GPS 點上同步進行靜態(tài)觀測，有效觀測衛(wèi)星顆數(shù)達到9 顆以上，觀測時段達200 min 以上，確保有效的觀測時間。外業(yè)采集靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)后，在WGS-84 坐標系下對GPS 靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行自由網(wǎng)平差和三維約束平差，最終求得錢家營礦區(qū)WGS-84 坐標成果。

4 單基站RTK 測量性能檢驗

采用SOUTH 銀河6 GNSS 接收機（實時動態(tài)定位精度±8 mm+1 mm/km×d），分別對BDS 和GPS 信號的固定解數(shù)、PDOP 值、點位觀測平面誤差進行統(tǒng)計，測試衛(wèi)星定位效果，并對衛(wèi)星定位精度采用靜態(tài)已知點檢測法檢驗。

4.1 定位效果測試

首先選擇90°、180°、270°信號遮擋的3個墻角點作為待測點，編號A、B、C，如圖2 所示。在相同時段，分別接收BDS、GPS 信號進行RTK 測量，采樣間隔為15 s，實時精度要求Hrms＜0.015 m，Vrms＜0.020 m。

從數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計表3 中得出結(jié)論，相同信號遮擋點，在RTK 只接收BDS 信號時，固定解個數(shù)更多，尤其在C 點上，接收GPS 信號已經(jīng)無法鎖定，而接收BDS 信號依然可以得到240 個固定解；接收BDS 信號固定解的PDOP 值均小于接收GPS 信號對應(yīng)的PDOP 值，同樣在C 點上，當接收GPS信號無法采集數(shù)據(jù)時，接收BDS 信號固定解的PDOP 值仍控制在3 左右；接收BDS 信號得到的固定解中，在相同信號遮擋點下的點位中誤差小于接收GPS 信號的點位中誤差。

表3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 3 Data statistics table

4.2 定位精度檢驗

靜態(tài)檢測方法是CORS 系統(tǒng)定位精度檢測中最常用的方法。本文在CORS 基站所覆蓋區(qū)域內(nèi)選擇已知控制點作為檢測點，將接收機安置在檢測點上，分別接收GPS 和BDS+GPS 信號進行RTK 數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集間隔5 s，再統(tǒng)計采集結(jié)果，計算得到外符合精度來檢驗測量精確度，見表4。

表4 外符合精度統(tǒng)計Table 4 Statistical table of external coincidence accuracy

外符合精度（式1）是把已知控制點坐標及高程（X、Y、H）作為真值，計算觀測值與真值的偏差程度，即精確度，反映了RTK 測量成果的實際可信度。

式中：σ 為觀測點的外符合精度；θ 為觀測值與真值之間的差值；N 為每個觀測點測量值的個數(shù)。

由表4 數(shù)據(jù)得出結(jié)論。

（1）在50 km 的范圍內(nèi)，外符合精度與基站距離正相關(guān)，可得出RTK 定位精度隨距離增加衰減，且滿足RTK 精度指標，見表5。

表5 RTK 精度指標Table 5 Precision index of RTK

（2）BDS+GPS 模式下，水平方向外符合精度小于2 cm，垂直方向精度小于3 cm；GPS 模式下，水平方向外符合精度小于2 cm，垂直方向精度小于4 cm，可知兼容BDS 的RTK 測量精度更高，衛(wèi)星信號更穩(wěn)定。

5 結(jié)語

通過對錢家營礦區(qū)CORS 系統(tǒng)RTK 測量性能檢驗，BDS+GPS 的RTK 測量精度優(yōu)于GPS 的測量精度，且在衛(wèi)星信號受到遮擋時，兼容BDS 的RTK 測量固定解率更高、平面誤差更小。通過以上方案，說明錢家營礦區(qū)CORS-RTK 衛(wèi)星定位效果較好，可為礦區(qū)工程測量提供厘米級定位精度的測量數(shù)據(jù)。